Spin–orbit torque-induced perpendicular magnetization switching has attracted much attention due to the advantages of nonvolatility, high density, infinite read/write counts, and low power consumption in spintronic applications. To achieve field-free deterministic switching of perpendicular magnetization, additional magnetic field, magnetic layer assistance, or artificially designed structural symmetry breaking are usually required, which are not conducive to the high-density integration and application of low-power devices. However, 2D type-II Weyl semimetals with low-symmetry structures have recently been found to generate z-spin-polarized currents, which may induce out-of-plane damping-like torques to their neighboring ferromagnetic layers, and realize deterministic perpendicular magnetization switching at zero magnetic field. In this Letter, we report that current-induced field-free magnetization switching at room temperature can be achieved in a perpendicularly magnetized TaIrTe4/Pt/Co/Pt device, and the critical switching current density can be lowered to be about 2.64 × 105 A·cm−2. When the current is applied along the low-symmetry TaIrTe4 a-axis, the out-of-plane and in-plane spin Hall conductivities are estimated to be 0.61 × 105 ×  /2e(Ωm)1 and 3.13 × 105 ×  /2e(Ωm)1, respectively. This study suggests that TaIrTe4 has great potential for the design of room-temperature efficient spintronic devices.

1.
R.
Ramaswamy
,
J. M.
Lee
,
K.
Cai
, and
H.
Yang
,
Appl. Phys. Rev.
5
(
3
),
031107
(
2018
).
2.
X.
Han
,
X.
Wang
,
C.
Wan
,
G.
Yu
, and
X.
Lv
,
Appl. Phys. Lett.
118
(
12
),
120502
(
2021
).
3.
L.
Liu
,
O. J.
Lee
,
T. J.
Gudmundsen
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Phys. Rev. Lett.
109
(
9
),
096602
(
2012
).
4.
L.
Liu
,
C.
Pai
,
Y.
Li
,
H. W.
Tseng
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Science
336
(
6081
),
555
(
2012
).
5.
C. K.
Safeer
,
E.
Jué
,
A.
Lopez
,
L.
Buda-Prejbeanu
,
S.
Auffret
,
S.
Pizzini
,
O.
Boulle
,
I. M.
Miron
, and
G.
Gaudin
,
Nat. Nanotechnol.
11
(
2
),
143
(
2016
).
6.
S.
Fukami
,
C.
Zhang
,
S.
DuttaGupta
,
A.
Kurenkov
, and
H.
Ohno
,
Nat. Mater.
15
(
5
),
535
(
2016
).
7.
Y.
Oh
,
S. C.
Baek
,
Y. M.
Kim
,
H. Y.
Lee
,
K.
Lee
,
C.
Yang
,
E.
Park
,
K.
Lee
,
K.
Kim
,
G.
Go
,
J.
Jeong
,
B.
Min
,
H.
Lee
,
K.
Lee
, and
B.
Park
,
Nat. Nanotechnol.
11
(
10
),
878
(
2016
).
8.
Y.
Lau
,
D.
Betto
,
K.
Rode
,
J. M. D.
Coey
, and
P.
Stamenov
,
Nat. Nanotechnol.
11
(
9
),
758
(
2016
).
9.
A.
van den Brink
,
G.
Vermijs
,
A.
Solignac
,
J.
Koo
,
J. T.
Kohlhepp
,
H. J. M.
Swagten
, and
B.
Koopmans
,
Nat. Commun.
7
(
1
),
10854
(
2016
).
10.
K.
Cai
,
M.
Yang
,
H.
Ju
,
S.
Wang
,
Y.
Ji
,
B.
Li
,
K. W.
Edmonds
,
Y.
Sheng
,
B.
Zhang
,
N.
Zhang
,
S.
Liu
,
H.
Zheng
, and
K.
Wang
,
Nat. Mater.
16
(
7
),
712
(
2017
).
11.
Y.
Liu
,
G.
Shi
,
D.
Kumar
,
T.
Kim
,
S.
Shi
,
D.
Yang
,
J.
Zhang
,
C.
Zhang
,
F.
Wang
,
S.
Yang
,
Y.
Pu
,
P.
Yu
,
K.
Cai
, and
H.
Yang
,
Nat. Electron.
6
(
10
),
732
(
2023
).
12.
Q.
Shao
,
P.
Li
,
L.
Liu
,
H.
Yang
,
S.
Fukami
,
A.
Razavi
,
H.
Wu
,
K.
Wang
,
F.
Freimuth
,
Y.
Mokrousov
,
M. D.
Stiles
,
S.
Emori
,
A.
Hoffmann
,
J.
Akerman
,
K.
Roy
,
J.
Wang
,
S.
Yang
,
K.
Garello
, and
W.
Zhang
,
IEEE Trans. Magn.
57
(
7
),
800439
(
2021
).
13.
A.
Manchon
,
J.
Železný
,
I. M.
Miron
,
T.
Jungwirth
,
J.
Sinova
,
A.
Thiaville
,
K.
Garello
, and
P.
Gambardella
,
Rev. Mod. Phys.
91
(
3
),
035004
(
2019
).
14.
S. C.
Baek
,
V. P.
Amin
,
Y. W.
Oh
,
G.
Go
,
S. J.
Lee
,
G. H.
Lee
,
K. J.
Kim
,
M. D.
Stiles
,
B. G.
Park
, and
K. J.
Lee
,
Nat. Mater.
17
(
6
),
509
(
2018
).
15.
L.
Liu
,
C.
Zhou
,
X.
Shu
,
C.
Li
,
T.
Zhao
,
W.
Lin
,
J.
Deng
,
Q.
Xie
,
S.
Chen
,
J.
Zhou
,
R.
Guo
,
H.
Wang
,
J.
Yu
,
S.
Shi
,
P.
Yang
,
S.
Pennycook
,
A.
Manchon
, and
J.
Chen
,
Nat. Nanotechnol.
16
(
3
),
277
(
2021
).
16.
X.
Chen
,
S.
Shi
,
G.
Shi
,
X.
Fan
,
C.
Song
,
X.
Zhou
,
H.
Bai
,
L.
Liao
,
Y.
Zhou
,
H.
Zhang
,
A.
Li
,
Y.
Chen
,
X.
Han
,
S.
Jiang
,
Z.
Zhu
,
H.
Wu
,
X.
Wang
,
D.
Xue
,
H.
Yang
, and
F.
Pan
,
Nat. Mater.
20
(
6
),
800
(
2021
).
17.
S.
Hu
,
D.
Shao
,
H.
Yang
,
C.
Pan
,
Z.
Fu
,
M.
Tang
,
Y.
Yang
,
W.
Fan
,
S.
Zhou
,
E. Y.
Tsymbal
, and
X.
Qiu
,
Nat. Commun.
13
(
1
),
4447
(
2022
).
18.
D.
MacNeill
,
G. M.
Stiehl
,
M. H. D.
Guimaraes
,
R. A.
Buhrman
,
J.
Park
, and
D. C.
Ralph
,
Nat. Phys.
13
(
3
),
300
(
2017
).
19.
D.
MacNeill
,
G. M.
Stiehl
,
M. H. D.
Guimarães
,
N. D.
Reynolds
,
R. A.
Buhrman
, and
D. C.
Ralph
,
Phys. Rev. B
96
(
5
),
054450
(
2017
).
20.
S.
Shi
,
S.
Liang
,
Z.
Zhu
,
K.
Cai
,
S. D.
Pollard
,
Y.
Wang
,
J.
Wang
,
Q.
Wang
,
P.
He
,
J.
Yu
,
G.
Eda
,
G.
Liang
, and
H.
Yang
,
Nat. Nanotechnol.
14
(
10
),
945
(
2019
).
21.
B.
Zhao
,
B.
Karpiak
,
D.
Khokhriakov
,
A.
Johansson
,
A. M.
Hoque
,
X.
Xu
,
Y.
Jiang
,
I.
Mertig
, and
S. P.
Dash
,
Adv. Mater.
32
(
38
),
013286
(
2020
).
22.
Q.
Xie
,
W.
Lin
,
S.
Sarkar
,
X.
Shu
,
S.
Chen
,
L.
Liu
,
T.
Zhao
,
C.
Zhou
,
H.
Wang
,
J.
Zhou
,
S.
Gradečak
, and
J.
Chen
,
APL Mater.
9
(
5
),
051114
(
2021
).
23.
S.
Shi
,
J.
Li
,
C.
Hsu
,
K.
Lee
,
Y.
Wang
,
L.
Yang
,
J.
Wang
,
Q.
Wang
,
H.
Wu
,
W.
Zhang
,
G.
Eda
,
G.
Liang
,
H.
Chang
, and
H.
Yang
,
Adv. Quantum Technol.
4
(
8
),
2100038
(
2021
).
24.
X.
Ye
,
P.
Zhu
,
W.
Xu
,
N.
Shang
,
K.
Liu
, and
Z.
Liao
,
Chin. Phys. Lett.
39
(
3
),
037303
(
2022
).
25.
I. H.
Kao
,
R.
Muzzio
,
H.
Zhang
,
M.
Zhu
,
J.
Gobbo
,
S.
Yuan
,
D.
Weber
,
R.
Rao
,
J.
Li
,
J. H.
Edgar
,
J. E.
Goldberger
,
J.
Yan
,
D. G.
Mandrus
,
J.
Hwang
,
R.
Cheng
,
J.
Katoch
, and
S.
Singh
,
Nat. Mater.
21
(
9
),
1029
(
2022
).
26.
J.
Xiong
,
L.
Wang
,
B.
Cheng
,
Y.
Dai
,
F.
Wang
,
C.
Pan
,
T.
Cao
,
X.
Liu
,
P.
Wang
,
M.
Chen
,
S.
Yan
,
Z.
Liu
,
J.
Xiao
,
X.
Xu
,
Z.
Wang
,
Y.
Shi
,
S.
Cheong
,
H.
Zhang
,
S.
Liang
, and
F.
Miao
,
Sci. Adv.
8
(
49
),
eabq6833
(
2022
).
27.
X.
Wang
,
H.
Wu
,
R.
Qiu
,
X.
Huang
,
J.
Zhang
,
J.
Long
,
Y.
Yao
,
Y.
Zhao
,
Z.
Zhu
,
J.
Wang
,
S.
Shi
,
H.
Chang
, and
W.
Zhao
,
Cell Rep. Phys. Sci.
4
(
7
),
101468
(
2023
).
28.
L.
Wei
,
X.
Yin
,
P.
Liu
,
P.
Zhang
,
W.
Niu
,
P.
Liu
,
J.
Yang
,
J.
Peng
,
F.
Huang
,
R.
Liu
,
J.
Chen
,
L.
Chen
,
S.
Zhou
,
F.
Li
,
X.
Niu
,
J.
Du
, and
Y.
Pu
,
Appl. Phys. Lett.
123
(
25
),
252404
(
2023
).
29.
S. N.
Kajale
,
T.
Nguyen
,
N. T.
Hung
,
M.
Li
, and
D.
Sarkar
,
Sci. Adv.
10
(
11
),
eadk8669
(
2024
).
30.
G.
Shi
,
F.
Wang
,
Y.
Liu
,
Z.
Li
,
H. R.
Tan
,
D.
Yang
,
A.
Soumyanarayanan
, and
H.
Yang
,
Nano Lett.
24
(
24
),
7302
(
2024
).
31.
Z.
Pan
,
D.
Li
,
X.
Ye
,
Z.
Chen
,
Z.
Chen
,
A.
Wang
,
M.
Tian
,
G.
Yao
,
K.
Liu
, and
Z.
Liao
,
Sci. Bull.
68
(
22
),
2743
(
2023
).
32.
H.
Xu
,
Y.
Zhang
,
K.
Jia
,
G.
Lan
,
Z.
Huang
,
B.
He
,
C.
He
,
Q.
Shao
,
Y.
Wang
,
M.
Zhao
,
T.
Ma
,
J.
Dong
,
C.
Guo
,
C.
Cheng
,
J.
Feng
,
C.
Wan
,
H.
Wei
,
Y.
Shi
,
G.
Zhang
,
X.
Han
, and
G.
Yu
,
Sci. Adv.
9
(
44
),
eadg9819
(
2023
).
33.
Y.
Zhang
,
X.
Ren
,
R.
Liu
,
Z.
Chen
,
X.
Wu
,
J.
Pang
,
W.
Wang
,
G.
Lan
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
Y.
Shi
,
G.
Yu
, and
Q.
Shao
,
Adv. Mater.
36
(
41
),
2406464
(
2024
).
34.
L.
Bainsla
,
B.
Zhao
,
N.
Behera
,
A. M.
Hoque
,
L.
Sjöström
,
A.
Martinelli
,
M.
Abdel-Hafiez
,
J.
Åkerman
, and
S. P.
Dash
,
Nat. Commun.
15
(
1
),
4649
(
2024
).
35.
D.
Li
,
X.
Liu
,
Z.
Pan
,
A.
Wang
,
J.
Zhang
,
P.
Yu
, and
Z.
Liao
,
Phys. Rev. B
110
(
3
),
035423
(
2024
).
36.
J. M.
Woods
,
J.
Shen
,
P.
Kumaravadivel
,
Y.
Pang
,
Y.
Xie
,
G. A.
Pan
,
M.
Li
,
E. I.
Altman
,
L.
Lu
, and
J. J.
Cha
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
9
(
27
),
23175
(
2017
).
37.
F.
Ye
,
J.
Lee
,
J.
Hu
,
Z.
Mao
,
J.
Wei
, and
P. X. L.
Feng
,
Small
12
(
42
),
5802
(
2016
).
38.
Y.
Wang
,
L.
Wang
,
X.
Liu
,
H.
Wu
,
P.
Wang
,
D.
Yan
,
B.
Cheng
,
Y.
Shi
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
S.
Liang
, and
F.
Miao
,
Nano Lett.
19
(
6
),
3969
(
2019
).
39.
A.
Pfeiffer
,
R. M.
Reeve
,
K.
Elphick
,
A.
Hirohata
, and
M.
Kläui
,
Phys. Rev. Res.
3
(
2
),
023110
(
2021
).
40.
B. F.
Miao
,
S. Y.
Huang
,
D.
Qu
, and
C. L.
Chien
,
Phys. Rev. Lett.
111
(
6
),
066602
(
2013
).
41.
W.
Zhang
,
W.
Han
,
X.
Jiang
,
S.
Yang
, and
S. S. P.
Parkin
,
Nat. Phys.
11
(
6
),
496
(
2015
).
42.
C.
Pai
,
Y.
Ou
,
L. H.
Vilela-Leão
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Phys. Rev. B
92
(
6
),
064426
(
2015
).
43.
L.
Salemi
,
M.
Berritta
, and
P. M.
Oppeneer
,
Phys. Rev. Mater.
5
(
7
),
074407
(
2021
).
44.
K.
Koepernik
,
D.
Kasinathan
,
D. V.
Efremov
,
S.
Khim
,
S.
Borisenko
,
B.
Büchner
, and
J.
van den Brink
,
Phys. Rev. B
93
(
20
),
201101
(
2016
).
45.
C.
Wang
,
R.
Xiao
,
H.
Liu
,
Z.
Zhang
,
S.
Lai
,
C.
Zhu
,
H.
Cai
,
N.
Wang
,
S.
Chen
,
Y.
Deng
,
Z.
Liu
,
S. A.
Yang
, and
W.
Gao
,
Nat. Sci. Rev.
9
(
12
),
nwac020
(
2022
).
46.
Y.
Liu
,
Q.
Gu
,
Y.
Peng
,
S.
Qi
,
N.
Zhang
,
Y.
Zhang
,
X.
Ma
,
R.
Zhu
,
L.
Tong
,
J.
Feng
,
Z.
Liu
, and
J.
Chen
,
Adv. Mater.
30
(
25
),
1706402
(
2018
).
47.
D.
Kumar
,
C.
Hsu
,
R.
Sharma
,
T.
Chang
,
P.
Yu
,
J.
Wang
,
G.
Eda
,
G.
Liang
, and
H.
Yang
,
Nat. Nanotechnol.
16
(
4
),
421
(
2021
).
48.
K.
Zhang
,
L.
Chen
,
Y.
Zhang
,
B.
Hong
,
Y.
He
,
K.
Lin
,
Z.
Zhang
,
Z.
Zheng
,
X.
Feng
,
Y.
Zhang
,
Y.
Otani
, and
W.
Zhao
,
Appl. Phys. Rev.
9
(
1
),
011407
(
2022
).
49.
H.
Wu
,
P.
Zhang
,
P.
Deng
,
Q.
Lan
,
Q.
Pan
,
S. A.
Razavi
,
X.
Che
,
L.
Huang
,
B.
Dai
,
K.
Wong
,
X.
Han
, and
K. L.
Wang
,
Phys. Rev. Lett.
123
(
20
),
207205
(
2019
).
50.
H.
Wang
,
H.
Wu
,
J.
Zhang
,
Y.
Liu
,
D.
Chen
,
C.
Pandey
,
J.
Yin
,
D.
Wei
,
N.
Lei
,
S.
Shi
,
H.
Lu
,
P.
Li
,
A.
Fert
,
K. L.
Wang
,
T.
Nie
, and
W.
Zhao
,
Nat. Commun.
14
(
1
),
5173
(
2023
).
51.
J.
Kim
,
J.
Sinha
,
M.
Hayashi
,
M.
Yamanouchi
,
S.
Fukami
,
T.
Suzuki
,
S.
Mitani
, and
H.
Ohno
,
Nat. Mater.
12
(
3
),
240
(
2013
).
52.
M.
Hayashi
,
J.
Kim
,
M.
Yamanouchi
, and
H.
Ohno
,
Phys. Rev. B
89
(
14
),
144425
(
2014
).
53.
H.
An
,
H.
Nakayama
,
Y.
Kanno
,
A.
Nomura
,
S.
Haku
, and
K.
Ando
,
Phys. Rev. B
94
(
21
),
214417
(
2016
).
You do not currently have access to this content.